JP3572157B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスクに用いられる低雑音特性を有する自励発振型の半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクに用いられる半導体レーザ素子は、低雑音化のために自励発振型が用いられる。活性層に多重量子井戸構造を用い、また、電流狭窄兼光吸収層で光吸収を行わせることにより、低電流駆動を達成した自励発振型の半導体レーザ素子が田中等により特開平２−７２６８８号公報に記載されている。
【０００３】
図１１に、特開平２−７２６８８号公報に記載の半導体レーザ素子を示す。ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層３０２、ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド層３０３、多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ ＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ）活性層３０４、ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡsクラッド層３０５、ｐ−ＧａＡｓ層３０６を成長し、エッチングによるリッジストライプ３０７形成後に、リッジストライプ３０７の両側に選択的にｎ−ＧａＡｓ電流狭窄兼光吸収層３０８の成長を行い、全面にｐ−ＧａＡｓ埋め込み層３０９を成長する。基板側と成長層表面に電極３１０、３１１を形成する。従来では動作電流３５〜４０ｍＡであり、通常のバルク活性層からなるダブルヘテロ（ＤＨ）構造の半導体レーザ素子に比べて、動作電流を３０〜４０％低減できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特開平２−７２６８８号公報に記載の半導体レーザ素子では、ＭＱＷ活性層の全層厚を規定することにより、低雑音化を達成している。
【０００５】
しかし、従来の半導体レーザ素子では、ＭＱＷ活性層の量子井戸層の層厚合計を規定していないために、次に述べる問題があった。
【０００６】
特開平２−７２６８８号公報に記載の半導体レーザ素子では、量子井戸層の層厚の合計は３６０Åから４４０Åである。このとき、低雑音化を達成するにはリッジストライプ外部の量子井戸層の可飽和吸収量を大きくするために、リッジストライプ外部に発光分布を十分に拡げて、リッジストライプ外部のＭＱＷ活性層に光をしみ出させる必要がある。しかし、発光分布を拡げるために、リッジストライプ外部のＭＱＷ活性層における光の波面が曲がり、ＭＱＷ活性層に平行方向の放射光のビームウエストがレーザ端面から離れ、一方、垂直方向の放射光のビームウエストはレーザ端面にあるので半導体レーザ素子の非点隔差が増大するという問題があった。
【０００７】
また、リッジストライプ外部に発光分布が拡がることによって、ＭＱＷ活性層に平行方向の放射角が狭くなって、放射光の楕円率（＝活性層に垂直方向放射角／活性層に平行方向放射角）が増大するという問題があった。
【０００８】
半導体レーザ素子の非点隔差増大あるいは放射光の楕円率増大による光学特性の悪化は、半導体レーザ素子を光ディスクの光源に用いる場合に、半導体レーザ素子からの放射光をレンズで微小スポットに集光することを困難にしたり、放射光のレンズへの結合効率低下により光出力の有効利用を困難にする問題があった。
【０００９】
また、従来の半導体レーザ素子では、電流光閉じ込め手段に電流狭窄兼光吸収層を用いる。この光閉じ込め手段による光吸収とリッジストライプ外部のＭＱＷ活性層における量子井戸層の可飽和吸収によって、半導体レーザ素子内部の光吸収損失が過剰に増大することで、動作電流が増大してしまうという問題があった。
【００１０】
従って、本発明では動作電流、動作電圧を増大させることなく、また、非点隔差、放射光の楕円率を増大させることのない低雑音特性を有する半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のＭＱＷ活性層を有する自励発振型の半導体レーザ素子は、半導体基板上に、第１導電型のクラッド層と、活性層と、第２導電型のクラッド層とを有し、前記第２導電型のクラッド層はストライプ形状を有し、前記ストライプ形状の両側部に電流光閉じ込め手段を有し、前記活性層は量子井戸層と量子障壁層とを交互に複数積層した多重量子井戸活性層からからなり、前記ストライプ外部に相当する前記多重量子井戸活性層が可飽和吸収部となる自励発振型の半導体レーザ素子において、前記量子井戸層の層厚の合計が７００Å以上１０００Å以下であり、前記活性層は、前記第１導電型のクラッド層側に下部量子障壁層を備え、前記第２導電型のクラッド層側に上部量子障壁層を備え、前記上部量子障壁層あるいは前記下部量子障壁層の少なくとも一方が他の前記量子障壁層よりも禁制帯幅が小さいことを特徴とする。
【００１２】
また、前記量子井戸層の層厚が６０Å以上１２０Å以下であり、前記量子障壁層の層厚が３０Å以上８０Å以下であることを特徴とする。
【００１３】
特に、前記電流光閉じ込め手段に、前記活性層よりも禁制帯幅の大きい第１導電型の電流光閉じ込め層を有することが好ましい。
【００１４】
また、前記活性層は、前記第１導電型のクラッド層側に下部量子障壁層を備え、前記第２導電型のクラッド層側に上部量子障壁層を備え、前記上部量子障壁層あるいは前記下部量子障壁層の少なくとも一方が他の前記量子障壁層よりも禁制帯幅が小さいことより、低雑音、低動作電圧電流の半導体レーザ素子を得ることができる。
【００１５】
また、前記ストライプ形状の層厚方向の等価屈折率ｎ１と、前記電流光閉じ込め手段の層厚方向の等価屈折率ｎ２との差Δｎ（＝ｎ１−ｎ２）が、３×１０^-3≦Δｎ≦７×１０^-3とすることが好ましい。
また、前記下部量子障壁層又は前記上部量子障壁層の禁制帯幅が、前記量子障壁層の禁制帯幅よりも１０％〜３０％低減していることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
この発明の実施の形態を説明する前に、まずこの発明をより理解し易くするために参考例を説明する。
図１に本発明の参考例の半導体レーザ素子の断面図を示す。
【００１７】
ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２（層厚０．５μｍ）、ｎ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ第１クラッド層１０３（層厚１．３μｍ）、ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ低屈折率層１０４（層厚０．２μｍ）、ノンドープのＭＱＷ活性層１０５、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第２クラッド層１０６（層厚０．１５μｍ）、ｐ−ＧａＡｓエッチング停止層１０７（層厚０．００３μｍ）、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第３クラッド層１０８（層厚１．２μｍ）、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１０９（層厚０．８μｍ）を順次、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により成長する。
【００１８】
ここで、ＭＱＷ活性層は、Ａｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓ下部量子障壁層１２０（層厚５０Å）を成長させ、その上にＡｌ_0.13Ｇａ_0.87Ａｓ量子井戸層１２１（層厚１００Å）とＡｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓ量子障壁層１２２（層厚５０Å）を量子井戸層を８層とし、量子障壁層を７層として交互に繰り返し成長させ、さらにその上にＡｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓ上部量子障壁層１２３（層厚５０Å）により構成する。本参考例ではＭＱＷ活性層の全層厚は１２５０Åであり、量子井戸層の層厚の合計は８００Åである。上記に説明した構造でのＡｌ組成比の分布を図２に示す。
【００１９】
ｐ−ＧａＡｓキャップ層１０９表面にフォトレジストのストライプマスクを形成し、選択性エッチングによりｐ−ＧａＡｓエッチング停止層１０７表面でエッチングを停止させて、底部のストライプ幅２．２μｍのリッジストライプ１１４を形成する。リッジストライプ１１４の両側を埋め込むように、ｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ第１電流光閉じ込め層１１０（層厚０．６μｍ）、ｎ−ＧａＡｓ第２電流光閉じ込め層１１１（層厚０．６μｍ）、ｐ−ＧａＡｓ平坦化層１１２（層厚０．７μｍ）を順次、ＭＯＣＶＤ法により成長する。ｐ−ＧａＡｓキャップ層１０９、ｐ−ＧａＡｓ平坦化層１１２を埋め込むように、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１３（層厚３μｍ）をＭＯＣＶＤ法により成長する。ｎ−ＧａＡｓ基板１０１表面とｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１３表面にｎ型電極１１５とｐ型電極１１６を形成する。共振器長を１００〜２５０μｍとするように調整して共振器端面を形成し、共振器端面の光出射側の端面反射率が２０〜５０％、反対側の端面反射率が５０％〜９５％となるように共振器端面にＡｌ₂Ｏ₃膜とＳｉ膜を形成する。
【００２０】
本参考例の半導体レーザ素子では、ｎ型電極１１５とｐ型電極１１６の間に順方向電圧を印加した場合、発振波長０．７８μｍ、発振閾値電流１４ｍＡ、電流−光出力特性のスロープ効率０．７５Ｗ／Ａ、光出力３ｍＷの動作電流は１８ｍＡであった。本参考例の半導体レーザ素子は、ＭＱＷ活性層１０５の禁制帯幅より大きな禁制帯幅を有する第１電流光閉じ込め層１１０を用いるので、ストライプ外部にあたる活性層によって自励発振できる程度まで光吸収が行われ、第１電流光閉じ込め層１１０における半導体レーザ素子による発光の光吸収を抑制することができる。
【００２１】
活性層厚が８００Åとして量子井戸層の膜厚の合計と等しくしたバルク活性層を有する自励発振型半導体レーザ素子の動作電流は２６ｍＡであるので、本参考例の量子井戸活性層を有した半導体レーザ素子では動作電流を約３０％以上低減することができた。
【００２２】
また、動作電流低減に伴い８００Åのバルク活性層を有する半導体レーザ素子に比べて、本参考例の半導体レーザ素子は動作電圧を約５％以上低減することができた。
【００２３】
雰囲気温度７０℃、一定光出力５ｍＷにおける動作電流の変化を調べると、動作電流が初期値より２０％増大するまでの走行時間は１００００時間以上である。
【００２４】
また、本参考例の半導体レーザ素子の放射角の非点隔差は１３μｍであり、バルク活性層を有する自励発振型半導体レーザ素子とほぼ同等の値が得られた。
【００２５】
さらに、本参考例の半導体レーザ素子においてＭＱＷ活性層に平行方向の放射角は１２°、垂直方向の放射角は３８°であり、放射光の楕円率においてもバルク活性層を有する自励発振型の半導体レーザ素子と同等の値が得られた。
【００２６】
本参考例の半導体レーザ素子では、活性層１０５とｎ−第１クラッド層１０３の間にｎ−第１クラッド層１０３より屈折率の小さなｎ−低屈折率層１０４を設けているのは、ＭＱＷ活性層の層厚の合計の厚膜化による垂直方向の放射角増大を抑制して、膜厚８００Åのバルク活性層を有する自励発振型の半導体レーザ素子と同等の垂直放射角を得るためである。これによって、ｎ−低屈折率層１０４が無い場合に比べて２°程度垂直放射角増大を抑えることができる。なお、ｎ−低屈折率層１０４は、必ずしも必要とするものではない。
【００２７】
本参考例の半導体レーザ素子の戻り光雑音を測定すると、戻り光量０．００１％から１５％まで相対雑音強度−１１０ｄＢ／Ｈｚ以下の低雑音特性が得られた。
【００２８】
次に、ＭＱＷ活性層の量子井戸層の層厚の合計を変化させた場合の非点隔差の変化と、活性層に平行放射角の変化をそれそれ図３、４に示す。このとき、自励発振による低雑音特性が得られるように、リッジストライプ内部の層厚方向の等価屈折率ｎ１と、リッジストライプ両側部の層厚方向の等価屈折率ｎ２との差Δｎ（＝ｎ１−ｎ２）の調整を行っている。図３より量子井戸層の膜厚合計が小さくなると、非点隔差が増大することがわかる。層厚合計が７００Åより小さい場合には、非点隔差は２０μｍより大きくなる。これは、層厚合計が小さい場合には、自励発振を起こすためには等価屈折率の差△ｎを小さくして、リッジストライプ外部への発分布光の拡がりを増大する必要があり、そのために非点隔差増大が生じることによる。
【００２９】
図４より量子井戸層厚の合計が小さくなると、水平放射角が減少することがわかる。層厚合計が７００Åより小さい場合には、水平放射角は９°より小さくなる。これは、層厚合計が小さい場合には、自励発振を起こすために等価屈折率の差△ｎを小さくして、ストライプ外部への発光分布の拡がりを増大する必要があり、そのために平行放射角低減が生じることによる。
【００３０】
非点隔差が２０μｍ以上に増大すると、放射光をレンズで集光するとき、集光スポットサイズの増大を生じ、光ディスク等のシステムで使用することが困難となる。また、平行放射角が９°以下に低減すると、放射光の楕円率（＝垂直放射角／平行放射角）が増大するために、レンズとの結合効率が低下して、光ディスク等のシステムで使用することが困難となる。このように、半導体レーザ素子の光学特性悪化を防止するには、ＭＱＷ活性層の量子井戸層の層厚合計を７００Åより大きくすることが重要となる。
【００３１】
さらに、量子井戸層の層厚合計を変化した場合の光出力３ｍＷにおける動作電流の変化、及び動作電圧の変化を各々図５、６に示す。層厚合計が１０００Åより大きくなると、動作電流は２５ｍＡより増大する。これは層厚合計の増大に伴い、半導体レーザ素子発振に必要な電流値が増大することによる。また、層厚合計が１０００Åより大きくなると、動作電圧は２．０Ｖ以上に増大する。これは、ＭＱＷ活性層の量子井戸層へのキャリヤ注入が不均一になることに伴う、立ち上がり電圧の増大と素子抵抗の増大によるものである。このように、動作電流の増大と動作電圧の増大を防止するには、量子井戸層の層厚合計は１０００Åより小さくする必要がある。
【００３２】
また、量子井戸層の厚さが６０Åより薄くなると、井戸数が多くなりすぎるために、キャリヤの注入が均一に行われなくなって、動作電圧の増大を引き起こす。これに対して、量子井戸層の厚さが１２０Åより厚くなると、量子効果が低下するために動作電流の低減が困難となる。そこで、量子井戸層は６０Å以上１２０Å以下が適当である。
【００３３】
量子障壁層の厚さが３０Åより薄くなると、成長層の界面だれの影響を受けて、設計通りの量子障壁層を得るのが困難となる。これに対して、量子障壁層の厚さが８０Åより厚くなると、量子井戸間のキャリヤ注入に支障をきたし、全ての量子井戸層に均一にキャリヤを注入するのが困難となる。そこで、量子障壁層は３０Å以上８０Å以下が適当である。
【００３４】
ここで、量子井戸活性層の全量子井戸層にキャリヤを均一に注入して動作電流の増大となる素子抵抗の増大を抑制するためには、量子井戸活性層のｐ型不純物濃度Ｎｐを５×１０¹⁶ｃｍ^-3≦Ｎｐ≦２×１０¹⁸ｃｍ^-3に設定することにより、キャリアの不均一注入により生じる動作電圧の増大を抑制できる。Ｎｐが２×１０¹⁸ｃｍ^-3より大きくなると積層膜を形成中にｐ型不純物の拡散が増大して、ＭＱＷ活性層中の量子井戸層に混晶化が生じ、ＭＱＷ活性層の量子効果が低減し、動作電流が増大する問題がある。Ｎｐが５×１０¹⁶ｃｍ^-3より小さくなると不純物を添加する効果がほとんどなくなり、動作電圧が増大する。
【００３５】
さらに、本参考例の半導体レーザ素子では、電流光閉じ込め層で光吸収をしないため、リッジストライプ内部と外部との等価屈折率差△ｎを４×１０^-3以上の比較的大きな値として、リッジストライプ外部への発光分布の広がりを抑制できる。リッジストライプの内部と外部の層厚方向の等価屈折率差（Δｎ（＝ｎ１−ｎ２））が小さくなると、リッジストライプ外部の活性層の過剰な可飽和吸収が起こるために、光学特性の悪化と動作電流の増大が生じる。等価屈折率差Δｎが７×１０^-3より大きくなると、リッジストライプ外部の活性層の可飽和吸収が少なくなるために、自励発振が起こりにくくなって、雑音が増大する。そこで、屈折率差は、４×１０^-3≦Δｎ≦７×１０^-3に設定するのが適当である。
【００３６】
また、リッジストライプの底部の幅（Ｗｓ）が狭くなると、リッジストライプ外部の活性層の過剰な可飽和吸収が起こるために、光学特性の悪化と動作電流の増大が生じる。リッジストライプ幅が広くなると、リッジストライプ外部の活性層の可飽和吸収が少なくなるために、自励発振が起こりにくくなって、雑音が増大する。そこで、リッジストライプ幅は、１μｍ≦Ｗｓ≦４μｍに設定するのが適当である。
【００３７】
本参考例の半導体レーザ素子は、自励発振型の実屈折率導波型半導体レーザ素子であるために、ストライプ外部のＭＱＷ活性層における可飽和吸収効果を用いている。バルク活性層を有する通常の半導体レーザ素子では、ＴＭ偏光モードの方がＴＥ偏光モードよりも可飽和吸収の影響を受けにくいために、通常の発振モードであるＴＥ偏光モードにＴＭ偏光モードが混在して発振する現象が見られた。これに対して、本参考例の素子では、活性層に量子井戸構造を用いるために、半導体レーザ素子発振利得のＴＥ偏光モード増大効果を用いることができ、十分にモード選択比の高いＴＥ偏光モードによる単一モード発振が得られる。
【００３８】
本参考例の素子のように偏光モードが単一の半導体レーザ素子はディスクの光源に用いるのに適している。
【００３９】
（実施の形態１）
実施の形態１として、図１に記載の半導体レーザ素子の構造と同一であり、ＭＱＷ活性層のみ異なる半導体レーザ素子のＡｌ組成比の分布を図７に示す。
【００４０】
Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ下部量子障壁層１３０（層厚５０Å）を成長させ、その上にＡｌ_0.13Ｇａ_0.87Ａｓ量子井戸層１３１（層厚１００Å）とＡｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓ量子障壁層１３２（層厚５０Å）を交互に繰り返し成長させて量子井戸層を８層と量子障壁層を７層形成し、さらにその上にＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ上部量子障壁層１３３（層厚５０Å）を成長させることにより構成されている。本実施の形態もＭＱＷ活性層の全層厚は１２５０Åであり、量子井戸層の層厚の合計は８００Åとした。
【００４１】
図８、９に、下部及び上部量子障壁層のＡｌ組成比に対する半導体レーザの相対雑音強度あるいは動作電流との相関を示す。
【００４２】
相対雑音強度は半導体レーザ素子を光ディスクで使用した場合の光ディスクからの戻り光による雑音であり、実用上少なくとも相対雑音強度−１１０ｄＢ／Ｈｚ以下、望ましくは−１２０ｄＢ／Ｈｚ以下が要求されている。図８によると、下部及び上部量子障壁層のＡｌ組成比が量子障壁層のＡｌ組成比より小さくなると相対雑音強度は減少し、図９によると動作電流が増大する。量子障壁層のＡｌ組成比が０．３３の場合には０．２３≦ｘ≦０．３のＡｌ組成比とした下部、上部量子障壁層を有する半導体レーザ素子の特性が良好であるようにＡｌ組成比を他の量子障壁層より１０％〜３０％低減させた下部及び上部量子障壁層とすることが好ましい。この理由は、下部及び上部量子障壁層のＡｌ組成比が量子障壁層のＡｌ組成比よりも小さい場合には、下部及び上部量子障壁層の禁制帯幅が小さくなるため、下部及び上部量子障壁層の光吸収が増大することで活性層全体での可飽和吸収量が増大し、従って自励発振が強くなり相対雑音強度が減少する。本実施の形態のように、リッジストライプ外部の可飽和吸収量を増大するには、下部及び上部量子障壁層のＡｌ組成比を調整し、下部及び上部量子障壁層の禁制帯幅を他の量子障壁層より小さくすることで行える。
【００４３】
本実施の形態では下部及び上部量子障壁層のＡｌ組成比の両方とも量子障壁層１３２のＡｌ組成比が小さい場合について述べたが、片方だけ小さい場合にも同様の効果が得られる。
【００４４】
（実施の形態２）
図１０に実施の形態２のＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子の断面図を示す。
【００４５】
ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ−Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバッファ層２０２、ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１クラッド層２０３（層厚１．５μｍ）、ｐ−ドープ多重量子井戸活性層２０４、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第２クラッド層２０５（層厚１．５μｍ）、ｐ−Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐキャップ層２０６（層厚０．３μｍ）を順次、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）により成長し、エッチングによりｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第２クラッド層の平坦部の残し厚さが０．３μｍとなるように、エッチングを停止させて、幅２．５μｍのリッジストライプ２０７を形成する。ＭＱＷ活性層は、図示していないが、（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ下部量子障壁層(層厚２００Å）、ＧａＩｎＰ量子井戸層（層厚８０Å）と（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ量子障壁層（層厚４０Å）を交互に繰り返し成長させて量子井戸層９層と量子障壁層８層を積層し、（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ上部量子障壁層（層厚２００Å）をその上に積層することにより構成されている。本実施の形態ではＭＱＷ活性層の全層厚は１４４０Åであり、量子井戸層の層厚合計は７２０Å、量子井戸の層数は９層である。
【００４６】
リッジストライプ２０７の外側を埋め込むように、ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｐ第１電流光閉じ込め層２０８（層厚０．３μｍ）、ｎ−ＧａＡｓ第２電流光閉じ込め層２０９（層厚１．２μｍ）を順次、ＭＢＥ法により成長する。ｐ−Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐキャップ層２０６とｎ−ＧａＡｓ第２電流光閉じ込め層２０９の表面にｐ−ＧａＡｓコンタクト層２１０をＭＢＥ法により成長する。
【００４７】
ｎ−ＧａＡｓ基板２０１表面とｐ−ＧａＡｓコンタクト層２１０表面にｎ型電極２１１とｐ型電極２１２を形成する。へき開法により共振器長を３００〜７００μｍに調整して共振器端面を形成し、共振器端面の光出射側端面の反射率が３０〜５０％、後側の反射率が７０〜９５％となるようにＡｌ₂Ｏ₃膜とＳｉ膜を形成する。
【００４８】
本実施の形態の素子で、ｎ型電極２１１とｐ型電極２１２の間に順方向電圧を印加した場合、発振波長０．６５μｍ、発振閾値電流２０ｍＡ、電流−光出力特性のスロープ効率０．７５Ｗ／Ａ、光出力３ｍＷの動作電流は２４ｍＡである。本実施の形態の素子は、第１電流光閉じ込め層に活性層の禁制帯幅より大きな禁制帯幅を有しする自励発振型の半導体レーザ素子であり、過剰な光吸収がないため低動作電流で駆動できる。
【００４９】
膜厚７２０Åのバルク活性層を有する自励発振型の半導体レーザ素子の動作電流は３４ｍＡであるので、本実施の形態の半導体レーザ素子では動作電流を約３０％以上低減することが可能となった。
【００５０】
また、動作電流低減に伴い膜厚７２０Åのバルク活性層を有する半導体レーザ素子に比べて、本実施の形態の素子は動作電圧を約５％以上低減することができた。雰囲気温度７０℃、一定光出力５ｍＷにおける動作電流の変化を調べると、動作電流が初期値より２０％増大するまでの走行時間は５０００時間以上である。
【００５１】
また、本実施の形態の素子の放射角の非点隔差は１５μｍであり、バルク活性層を有する自励発振型の半導体レーザ素子とほぼ同等の値が得られた。さらに、本半導体レーザ素子においてＭＱＷ活性層に平行方向の放射角は１０度、垂直方向の放射角は３０度であり、放射光の楕円率においてもバルク活性層の活性層を有する自励発振型の半導体レーザ素子と同等の値が得られた。
【００５２】
本実施の形態の半導体レーザ素子の戻り光雑音を測定すると、戻り光量０．００１％から１５％まで相対雑音強度−１１０ｄＢ／Ｈｚ以下の低雑音特性が得られた。
【００５３】
このように、本実施の形態の半導体レーザ素子は光学特性の良好な低電流低電圧駆動の自励発振型の半導体レーザ素子を実現できた。
【００５４】
なお、本発明は、以上述べた実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態以外の層厚、Ａｌ組成比、キャリア濃度においても、本発明の効果を有する限り適用可能である。実施の形態では、電流光閉じ込め構造について、第２クラッド層近傍にリッジストライプを有する構造について述べたが、それ以外に第２クラッド層近傍に溝埋め込みを有する構造においても、本発明の効果を有する限り適用可能である。
【００５５】
また、成長法については、ＭＯＣＶＤ法及びＭＢＥ法以外に、ＬＰＥ法、ガスソースＭＢＥ法、ＡＬＥ（原子線エピタキシー）法においても、本発明の効果を有する限り適用可能である。
【００５６】
【発明の効果】
上記課題を解決するために、本発明のＭＱＷ活性層を有する自励発振型の半導体レーザ素子は、ＭＱＷ活性層の量子井戸層の層厚の合計を７００Åより大きくすることにより、ストライプ外部の量子井戸層の可飽和吸収効果を増大させて、ストライプ外部への発光分布の拡がりの増大を抑制することができる。その結果、半導体レーザ素子の放射光の非点隔差増大及び楕円率増大を抑制することができる。また、量子井戸層の層厚の合計を１０００Åより小さくすることにより、ストライプ外部の量子井戸層の可飽和吸収効果の増大に伴う動作電流増大を抑制でき、全量子井戸層へのキャリヤ注入不均一に伴う動作電圧の増大を抑制できる。
【００５７】
以上より、本発明の半導体レーザ素子は、量子井戸層の層厚の合計を７００Åより大きくし、１０００Åより小さくすることにより、非点隔差増大及び楕円率増大に伴う光学特性悪化を防止でき、さらに動作電流増大及び動作電圧増大を抑制でき、光学特性の良好な低電流低電圧駆動の自励発振型ＭＱＷ半導体レーザ素子を実現することができる。
【００５８】
また、本発明の半導体レーザ素子は、電流光閉じ込め手段に活性層より禁制帯幅が大きく、半導体レーザ素子光の吸収の少ない電流光閉じ込め層を用いる。それにより、光吸収はストライプ外部の可飽和吸収が主体となるので、ＭＱＷ活性層における利得飽和が起こりにくくなり、動作電流の増大を抑制でき、低電流動作が実現できる。
【００５９】
また、本発明の下部及び上部量子井戸層を他の量子障壁層の禁制帯よりも小さくすることによって、活性層における光吸収効率を高め、更に自励発振の強度を強くして低雑音効果を実現することができる。
【００６０】
また、ストライプ構造の外部と内部との等価屈折率差を所定の値とすることによって、さらに光学特性の改善と低雑音の両立を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例の半導体レーザ素子を示す図である。
【図２】本発明の参考例の半導体レーザ素子の活性層のＡｌ組成を示す図である。
【図３】非点隔差の量子井戸層の層厚合計に対する関係を示す図である。
【図４】平行放射角の量子井戸層の層厚合計に対する関係を示す図である。
【図５】動作電流の量子井戸層の層厚合計に対する関係を示す図である。
【図６】動作電圧の量子井戸層の層厚合計に対する関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１の半導体レーザ素子を示す図である。
【図８】相対雑音強度のＡｌ組成比に対する関係を示す図である。
【図９】動作電流のＡｌ組成比に対する関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１の半導体レーザ素子の活性層のＡｌ組成を示す図である。
【図１１】従来の半導体レーザ素子を示す図である。
【符号の説明】
１０１、２０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２、２０２ ｎ−ＧａＡｓバッファ層
１０３、２０３ ｎ−第１クラッド層
１０４ ｎ−低屈折率層
１０５、２０４ ＭＱＷ活性層
１０６、２０５ ｐ−第２クラッド層
１０７ ｐ−ＧａＡｓエッチング停止層
１０８ ｐ−第３クラッド層
１０９、２０６ ｐ−キャップ層
１１４、２０７ リッジストライプ
１１０、２０８ ｎ−第１電流光閉じ込め層
１１１、２０９ ｎ−第２電流光閉じ込め層
１１２ ｐ−平坦化層
１１３、２１０ ｐ−コンタクト層
１１５、１１６、２１１、２１２ 電極

Claims (5)

1. 半導体基板上に、第１導電型のクラッド層と、活性層と、第２導電型のクラッド層とを有し、前記第２導電型のクラッド層はストライプ形状を有し、前記ストライプ形状の両側部に電流光閉じ込め手段を有し、前記活性層は量子井戸層と量子障壁層とを交互に複数積層した多重量子井戸活性層からからなり、前記ストライプ外部に相当する前記多重量子井戸活性層が可飽和吸収部となる自励発振型の半導体レーザ素子において、
   前記量子井戸層の層厚の合計が７００Å以上１０００Å以下であり、
   前記活性層は、前記第１導電型のクラッド層側に下部量子障壁層を備え、前記第２導電型のクラッド層側に上部量子障壁層を備え、
   前記上部量子障壁層あるいは前記下部量子障壁層の少なくとも一方が他の前記量子障壁層よりも禁制帯幅が小さいことを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記量子井戸層の層厚が６０Å以上１２０Å以下であり、
   前記量子障壁層の層厚が３０Å以上８０Å以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記電流光閉じ込め手段は、前記活性層よりも禁制帯幅の大きい第１導電型の電流光閉じ込め層を有することを特徴とする請求項１乃至２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記ストライプ形状の層厚方向の等価屈折率ｎ１と、前記電流光閉じ込め手段の層厚方向の等価屈折率ｎ２との差Δｎ（＝ｎ１−ｎ２）が、３×１０^-3≦Δｎ≦７×１０^-3であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記下部量子障壁層又は前記上部量子障壁層の禁制帯幅が、前記量子障壁層の禁制帯幅よりも１０％〜３０％低減していることを特徴とする請求項１乃至４に記載の半導体レーザ素子。

Images